现阶段ＬＥＤ光源在灯具中的应用

摘 要：文章主要介绍了现阶段led在灯具领域的应用情况，并着重介绍了led的发光原理以及理论上的诸多优点，同时分析了现有技术对led灯具进一步发展造成的影响。

关键词：LED；灯具；光源；

ＬＥＤ作为一种新兴的光源，最初使用是在１９６２年。在市场的需求和技术进步的推动下，ＬＥＤ光源经历了一段光辉的历史，从最初只能作为指示光源，到现在可以制作成室外用超大显示屏；从早期６５０ｎｍ的红色光，到现在的白光ＬＥＤ出现；从最初的只有千分之几流明，发光效率只有０．１ｌｍ/Ｗ，到现在的白色ＬＥＤ发光效率也能超过４０ｌｍ/Ｗ。尤其是在最近十年中，ＬＥＤ的质量提高了１０倍，而制造成本却下降到早期产品的１/１０。这个趋势还在进一步发展中，这使ＬＥＤ成为信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品，同时随着工艺技术的进一步提高，ＬＥＤ光源一定还有更广阔的使用前景。但是就目前的工艺技术和使用情况来看，ＬＥＤ光源还远远没有发挥出它应有的潜力。

1 发光原理

要了解二极管的发光原理，首先要了解半导体的基本知识。半导体材料的导电性质介于导体和绝缘体材料之间，它的独特之处在于：当半导体受到外界光和热条件的刺激时，它的导电能力会发生显著的变化；在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电能力也会显著的增加。在近代电子学中用得最多的半导体就是硅（Ｓｉ）和锗（Ｇｅ），它们的最外层电子都是４个，在硅或者锗原子组成晶体时相邻的原子相互影响，使外侧电子变成两个原子共有的，这就形成了晶体中的共价键结构（如图1所示），这是一种约束能力很小的分子结构。在室温（３００Ｋ）情况下，由于受到热激发就会使一些最外层电子获得足够的能量而脱离共价键束缚变成自由电子，这个过程叫做本征激发。在电子摆脱束缚成为自由电子后，共价键中会留下一个空位，这个空位称为空穴，空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特征。

由于共价键出现了空穴，在外加电场或者其他的能源作用下，邻近的价电子就会填补这个空穴，而这个电子的原来位置上又形成新的空穴，以后其他电子再转移到这个新的空穴上。这样就产生了一定的电荷转移（如图2所示）。

我们可以用以下公式对本征半导体中的自由电子的浓度进行计算：
ｎｉ（Ｔ）＝ＡＴ３/２ｅ－ＥＧ/２ｋＴ
式中，
ＥＧ——电子挣脱共价键束缚所需要的能量，单位是ｅＶ（电子伏），又被称为禁带宽度；
Ｔ——温度；
Ａ——系数；
ｋ——波耳兹曼常数（１．３８×１０－２３Ｊ/Ｋ）；
ｅ——自然对数的底。

由于在本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的，所以这个计算公式也可以用来表示空穴的浓度。在半导体中自由电子（或空穴）的浓度越高，导电能力越强，在常温附近，温度每升高８℃，硅的自由电子浓度增加1倍；温度每升高１２℃，锗的自由电子浓度升高1倍。

在本征半导体中加入少量的五价元素杂质如磷等，它在与其他半导体原子结成共价键以后会有一个多余的电子，这个多余的电子只需要非常小的能量就能摆脱束缚成为自由电子，这类杂质半导体被称为电子半导体（Ｎ型半导体）。而在本征半导体中加入少量的三价元素杂质（如硼等），因为它外层只有三个电子，在与周围的半导体原子组成共价键以后会在晶体中产生一个空位，这类杂质半导体被称为空穴半导体（Ｐ型半导体）。在Ｎ型和Ｐ型半导体结合后，在它们的交界处就会出现自由电子和空穴的浓度差别，于是电子和空穴都要向浓度低的地方扩散，留下了一些带电却不能移动的离子，从而破坏了Ｎ区和Ｐ区原来的电中性。这些不能移动的带电粒子通常被称为空间电荷，它们集中在Ｎ区和Ｐ区交界面附近形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的ＰＮ结。

在ＰＮ结的两端加上正向偏置电压（Ｐ型的一边加正电压）后，空穴和自由电子就会相互移动，形成一个内电场。随后新注入的空穴和自由电子再重新复合，复合的同时有时会以光子的形式释放多余能量，这就是我们所见到的ＬＥＤ发出的光。这样的光谱范围是比较窄的，由于每种材料的禁带宽度不相同，所以释放出的光子波长也不同，所以ＬＥＤ发光的颜色由所使用的基本材料决定。下表介绍了几种商用ＬＥＤ的主要原料和光色。

2 主要优点

2.1 节能环保

ＬＥＤ的发光原理与白炽灯和气体放电灯